Wat weet ons van X-strale?

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

In die 19de eeu het bestraling wat onsigbaar was vir die menslike oog, wat deur vlees en ander materiale kon gaan, soos iets heeltemal fantasties gelyk. Nou word X-strale wyd gebruik om mediese beelde te skep, bestralingsterapie uit te voer, kunswerke te ontleed en kernenergieprobleme op te los.

Hoe X-straalbestraling ontdek is en hoe dit mense help - vind ons saam met fisikus Alexander Nikolaevich Dolgov uit.

Die ontdekking van X-strale

Vanaf die einde van die 19de eeu het die wetenskap 'n fundamenteel nuwe rol begin speel in die vorming van die prentjie van die wêreld.’n Eeu gelede was die aktiwiteite van wetenskaplikes van’n amateur- en private aard. Teen die einde van die 18de eeu, as gevolg van die wetenskaplike en tegnologiese rewolusie, het die wetenskap egter in 'n sistematiese aktiwiteit verander waarin elke ontdekking moontlik geword het danksy die bydrae van baie spesialiste.

Navorsingsinstitute, periodieke wetenskaplike joernale het begin verskyn, mededinging en stryd het ontstaan vir die erkenning van kopiereg vir wetenskaplike prestasies en tegniese innovasies. Al hierdie prosesse het in die Duitse Ryk plaasgevind, waar die Kaiser teen die einde van die 19de eeu wetenskaplike prestasies aangemoedig het wat die land se aansien op die wêreldtoneel verhoog het.

Een van die wetenskaplikes wat gedurende hierdie tydperk met entoesiasme gewerk het, was die professor in fisika, rektor van die Universiteit van Würzburg Wilhelm Konrad Roentgen. Op 8 November 1895 het hy laat in die laboratorium gebly, soos dikwels gebeur het, en besluit om 'n eksperimentele studie van die elektriese ontlading in glasvakuumbuise uit te voer. Hy het die kamer verdonker en een van die buise in ondeursigtige swart papier toegedraai om dit makliker te maak om die optiese verskynsels wat met die ontlading gepaardgaan waar te neem. Tot my verbasing

Roentgen het 'n fluoressensieband op 'n nabygeleë skerm gesien wat bedek is met bariumsianoplatinietkristalle. Dit is onwaarskynlik dat 'n wetenskaplike hom dan kan voorstel dat hy op die punt staan van een van die belangrikste wetenskaplike ontdekkings van sy tyd. Volgende jaar sal meer as duisend publikasies oor X-strale geskryf word, dokters sal die uitvinding onmiddellik in gebruik neem, danksy dit sal radioaktiwiteit in die toekoms ontdek word en nuwe rigtings van die wetenskap sal verskyn.

Roentgen het die volgende paar weke daaraan gewy om die aard van die onverstaanbare gloed te ondersoek en gevind dat fluoressensie verskyn wanneer hy ook al stroom op die buis toegedien het. Die buis was die bron van die bestraling, nie 'n ander deel van die elektriese stroombaan nie. Omdat hy nie geweet het wat hy in die gesig staar nie, het Roentgen besluit om hierdie verskynsel as X-strale of X-strale te noem. Verder het Roentgen ontdek dat hierdie straling byna alle voorwerpe tot verskillende dieptes kan binnedring, afhangende van die dikte van die voorwerp en die digtheid van die stof.

Dus, 'n klein loodskyfie tussen die ontladingsbuis en die skerm het geblyk ondeurdringbaar te wees vir x-strale, en die bene van die hand het 'n donkerder skaduwee op die skerm gegooi, omring deur 'n ligter skaduwee van sagte weefsel. Gou het die wetenskaplike uitgevind dat die X-strale nie net die gloed van die skerm veroorsaak wat met bariumsianoplatiniet bedek is nie, maar ook die verdonkering van fotografiese plate (na ontwikkeling) op daardie plekke waar die X-strale op die fotografiese emulsie geval het.

In die loop van sy eksperimente was Roentgen oortuig dat hy straling ontdek het wat onbekend was aan die wetenskap. Op 28 Desember 1895 het hy oor die navorsingsresultate berig in 'n artikel "On a new type of radiation" in die joernaal Annals of Physics and Chemistry. Terselfdertyd het hy aan wetenskaplikes die foto's gestuur van die hand van sy vrou, Anna Bertha Ludwig, wat later bekend geword het.

Danksy Roentgen se ou vriend, die Oostenrykse fisikus Franz Exner, was die inwoners van Wene die eerstes om hierdie foto's op 5 Januarie 1896 op die blaaie van die koerant Die Presse te sien. Die volgende dag is inligting oor die opening aan die London Chronicle-koerant oorgedra. So het die ontdekking van Roentgen geleidelik die daaglikse lewe van mense begin betree. Praktiese toepassing is feitlik onmiddellik gevind: op 20 Januarie 1896, in New Hampshire, het dokters 'n man met 'n gebreekte arm behandel met 'n nuwe diagnostiese metode - 'n X-straal.

Vroeë gebruik van X-strale

In die loop van 'n paar jaar het X-straalbeelde aktief begin gebruik word vir meer akkurate operasies. Reeds 14 dae na hul opening het Friedrich Otto Valkhoff die eerste tandheelkundige X-straal geneem. En daarna het hulle saam met Fritz Giesel die wêreld se eerste tandheelkundige X-straallaboratorium gestig.

Teen 1900, 5 jaar na die ontdekking daarvan, is die gebruik van X-strale in diagnose as 'n integrale deel van mediese praktyk beskou.

Die statistieke wat deur die oudste hospitaal in Pennsilvanië saamgestel is, kan beskou word as 'n aanduiding van die verspreiding van tegnologieë gebaseer op X-straalbestraling. Volgens haar het slegs sowat 1-2% van pasiënte in 1900 hulp met X-strale ontvang, terwyl daar teen 1925 reeds 25% was.

X-strale is destyds op 'n baie ongewone manier gebruik. Hulle is byvoorbeeld gebruik om haarverwyderingsdienste te verskaf. Vir 'n lang tyd is hierdie metode as verkieslik beskou in vergelyking met die meer pynlike - tang of was. Boonop is X-strale gebruik in skoenpasapparate - probeer-aan-fluoroskope (pedoskope). Dit was X-straalmasjiene met’n spesiale kerf vir die voete, asook vensters waardeur die kliënt en die verkopers kon evalueer hoe die skoene gaan sit het.

Die vroeë gebruik van X-straalbeelding vanuit 'n moderne veiligheidsperspektief laat baie vrae ontstaan. Die probleem was dat ten tyde van die ontdekking van X-strale feitlik niks oor bestraling en die gevolge daarvan bekend was nie, en daarom het die pioniers wat die nuwe uitvinding gebruik het die skadelike gevolge daarvan in hul eie ervaring in die gesig gestaar Die negatiewe gevolge van verhoogde blootstelling het 'n massa-verskynsel geword aan die begin van die 19de eeu. XX eeue, en mense het geleidelik tot die besef van die gevare van verstandelose gebruik van X-strale begin kom.

Die aard van die x-strale

X-straalstraling is elektromagnetiese straling met fotonenergieë van ~ 100 eV tot 250 keV, wat op die skaal van elektromagnetiese golwe tussen ultravioletstraling en gammastraling lê. Dit is deel van die natuurlike bestraling wat in radio-isotope voorkom wanneer die atome van die elemente deur 'n stroom elektrone, alfa-deeltjies of gamma-kwanta opgewek word, waarin elektrone uit die elektronskulpe van die atoom uitgestoot word. X-straalbestraling vind plaas wanneer gelaaide deeltjies met versnelling beweeg, veral wanneer elektrone vertraag word, in die elektriese veld van atome van 'n stof.

Sagte en harde X-strale word onderskei, waartussen die voorwaardelike grens op die golflengteskaal ongeveer 0,2 nm is, wat ooreenstem met 'n fotonenergie van ongeveer 6 keV. X-straalstraling is beide deurdringend, as gevolg van sy kort golflengte, en ioniseer, aangesien wanneer dit deur 'n stof gaan, dit in wisselwerking met elektrone inwerk, hulle uit atome slaan, en sodoende hulle in ione en elektrone opbreek en die struktuur van die stof op wat dit optree.

X-strale laat 'n chemiese verbinding genaamd fluoressensie gloei. Die bestraling van die atome van die monster met hoë-energie fotone veroorsaak die vrystelling van elektrone – hulle verlaat die atoom. In een of meer elektronorbitale word "gate" gevorm - vakatures, waardeur die atome in 'n opgewekte toestand gaan, dit wil sê hulle word onstabiel. Miljoenstes van 'n sekonde later keer die atome terug na 'n stabiele toestand, wanneer die leemtes in die binneste orbitale gevul word met elektrone van die buitenste orbitale.

Hierdie oorgang gaan gepaard met die vrystelling van energie in die vorm van 'n sekondêre foton, dus ontstaan fluoressensie.

X-straal sterrekunde

Op aarde kom ons selde X-strale teë, maar dit word redelik dikwels in die ruimte aangetref. Daar kom dit natuurlik voor as gevolg van die aktiwiteit van baie ruimte-voorwerpe. Dit het X-straal-astronomie moontlik gemaak. Die energie van X-straalfotone is baie hoër as optiese, daarom straal dit in die X-straalreeks 'n stof uit wat tot uiters hoë temperature verhit is.

Hierdie kosmiese bronne van X-straalbestraling is nie vir ons 'n merkbare deel van die natuurlike agtergrondstraling nie en bedreig mense dus op geen manier nie. Die enigste uitsondering kan so 'n bron van harde elektromagnetiese straling wees soos 'n supernova-ontploffing, wat naby genoeg aan die sonnestelsel plaasgevind het.

Hoe om X-strale kunsmatig te skep?

X-straaltoestelle word steeds wyd gebruik vir nie-vernietigende introskopie (X-straalbeelde in medisyne, foutopsporing in tegnologie). Hul hoofkomponent is 'n X-straalbuis, wat uit 'n katode en 'n anode bestaan. Die buiselektrodes word aan 'n hoëspanningsbron gekoppel, gewoonlik tiene of selfs honderdduisende volts. Wanneer dit verhit word, gee die katode elektrone uit, wat deur die opgewekte elektriese veld tussen die katode en die anode versnel word.

Deur teen die anode te bots, word die elektrone vertraag en verloor die meeste van hul energie. In hierdie geval verskyn bremsstrahlung-straling van die X-straalreeks, maar die oorheersende deel van die elektronenergie word in hitte omgeskakel, sodat die anode afgekoel word.

Die X-straalbuis van konstante of gepulseerde werking is steeds die mees wydverspreide bron van X-straalstraling, maar dit is ver van die enigste een. Om hoë-intensiteit bestralingspulse te verkry, word hoëstroomontladings gebruik, waarin die plasmakanaal van die vloeiende stroom deur sy eie magnetiese veld van die stroom saamgepers word - die sogenaamde knyp.

As die ontlading in 'n medium van ligte elemente plaasvind, byvoorbeeld in 'n waterstofmedium, dan speel dit die rol van 'n effektiewe versneller van elektrone deur die elektriese veld wat in die ontlading self ontstaan. Hierdie ontlading kan die veld wat deur 'n eksterne stroombron gegenereer word aansienlik oorskry. Op hierdie manier word pulse van harde X-straalstraling met hoë energie van gegenereerde kwanta (honderde kilo-elektronvolts), wat 'n hoë penetrasiekrag het, verkry.

Om X-strale in 'n wye spektrale reeks te verkry, word elektronversnellers - sinchrotrone gebruik. In hulle word straling binne 'n ringvormige vakuumkamer gevorm, waarin 'n nougerigte straal van hoë-energie-elektrone, wat amper tot die spoed van lig versnel word, in 'n sirkelvormige wentelbaan beweeg. Tydens rotasie, onder die invloed van 'n magnetiese veld, straal vlieënde elektrone strale fotone uit wat tangensiaal aan die wentelbaan in 'n wye spektrum is, waarvan die maksimum op die X-straalreeks val.

Hoe X-strale opgespoor word

Vir 'n lang tyd is 'n dun laag fosfor of fotografiese emulsie wat op die oppervlak van 'n glasplaat of deursigtige polimeerfilm toegedien is, gebruik om X-straalstraling op te spoor en te meet. Die eerste een het in die optiese omvang van die spektrum geskyn onder die werking van X-straalstraling, terwyl die optiese deursigtigheid van die deklaag in die film verander het onder die werking van 'n chemiese reaksie.

Tans word elektroniese detektors meestal gebruik om X-straalstraling te registreer - toestelle wat 'n elektriese puls opwek wanneer 'n kwantum straling in die sensitiewe volume van die detektor geabsorbeer word. Hulle verskil in die beginsel van die omskakeling van die energie van die geabsorbeerde straling in elektriese seine.

X-straaldetektors met elektroniese registrasie kan verdeel word in ionisasie, waarvan die werking gebaseer is op die ionisasie van 'n stof, en radioluminescent, insluitende sintillasie, met behulp van die luminesensie van 'n stof onder die werking van ioniserende straling. Ionisasie-detektors word op hul beurt in gasgevulde en halfgeleiers verdeel, afhangende van die opsporingsmedium.

Die hooftipes gasgevulde detektors is ionisasiekamers, Geiger-tellers (Geiger-Muller-tellers) en proporsionele gasontladingstellers. Stralingskwanta wat die werksomgewing van die toonbank binnedring, veroorsaak ionisasie van die gas en die stroomvloei, wat aangeteken word. In 'n halfgeleierdetektor word elektron-gatpare onder die werking van stralingskwanta gevorm, wat dit ook moontlik maak vir 'n elektriese stroom om deur die liggaam van die detektor te vloei.

Die hoofkomponent van sintillasietellers in 'n vakuumtoestel is 'n fotovermenigvuldigerbuis (PMT), wat die foto-elektriese effek gebruik om straling om te skakel in 'n stroom gelaaide deeltjies en die verskynsel van sekondêre elektronemissie om die stroom van die gegenereerde gelaaide deeltjies te verbeter. Die fotovermenigvuldiger het 'n fotokatode en 'n stelsel van opeenvolgende versnellingselektrodes - dinodes, by impak waarop versnelde elektrone vermenigvuldig.

Sekondêre elektronvermenigvuldiger is 'n oop vakuumtoestel (werk slegs onder vakuumtoestande), waarin X-straalstraling by die inset omgeskakel word in 'n stroom primêre elektrone en dan versterk word as gevolg van die sekondêre emissie van elektrone soos hulle in die vermenigvuldigerkanaal voortplant..

Mikrokanaalplate, wat 'n groot aantal afsonderlike mikroskopiese kanale is wat die plaatdetektor binnedring, werk volgens dieselfde beginsel. Hulle kan addisioneel ruimtelike resolusie en die vorming van 'n optiese beeld van die deursnee van die vloed wat inval op die detektor van X-straalstraling verskaf deur die uitgaande elektronvloei van 'n semi-deursigtige skerm te bombardeer met 'n fosfor wat daarop neergelê is.

X-strale in medisyne

Die vermoë van X-strale om deur materiële voorwerpe te skyn, gee mense nie net die vermoë om eenvoudige X-strale te skep nie, maar maak ook moontlikhede oop vir meer gevorderde diagnostiese hulpmiddels. Dit is byvoorbeeld die kern van rekenaartomografie (CT).

Die X-straalbron en ontvanger draai binne die ring waarin die pasiënt lê. Die verkryde data oor hoe die weefsels van die liggaam X-strale absorbeer, word deur 'n rekenaar in 'n 3D-beeld gerekonstrueer. CT is veral belangrik vir die diagnose van beroerte, en hoewel dit minder akkuraat is as magnetiese resonansbeelding van die brein, neem dit baie minder tyd.

’n Relatief nuwe rigting, wat nou in mikrobiologie en medisyne ontwikkel, is die gebruik van sagte X-straalbestraling. Wanneer 'n lewende organisme deurskynend is, maak dit dit moontlik om 'n beeld van bloedvate te verkry, om die struktuur van sagte weefsel in detail te bestudeer, en selfs om mikrobiologiese studies op sellulêre vlak uit te voer.

'n X-straalmikroskoop wat straling van 'n knippie-tipe ontlading in die plasma van swaar elemente gebruik, maak dit moontlik om sulke besonderhede van die struktuur van 'n lewende sel te sien,wat nie deur 'n elektronmikroskoop gesien kan word nie, selfs in 'n spesiaal voorbereide sellulêre struktuur.

Een van die tipes bestralingsterapie wat gebruik word om kwaadaardige gewasse te behandel, gebruik harde X-strale, wat moontlik word as gevolg van die ioniserende effek daarvan, wat die weefsel van 'n biologiese voorwerp vernietig. In hierdie geval word 'n elektronversneller as 'n stralingsbron gebruik.

Radiografie in tegnologie

Sagte X-strale word gebruik in navorsing wat daarop gemik is om die probleem van beheerde termonukleêre samesmelting op te los. Om die proses te begin, moet jy 'n terugslagskokgolf skep deur 'n klein deuterium- en tritiumteiken met sagte X-strale van 'n elektriese ontlading te bestraal en die dop van hierdie teiken onmiddellik tot 'n plasmatoestand te verhit.

Hierdie golf druk die teikenmateriaal saam tot 'n digtheid wat duisende kere hoër is as die digtheid van 'n vaste stof, en verhit dit tot 'n termonukleêre temperatuur. Die vrystelling van termonukleêre samesmeltingsenergie vind in 'n kort tyd plaas, terwyl die warm plasma deur traagheid verstrooi word.

Die vermoë om deurskynend te maak, maak radiografie moontlik - 'n beeldtegniek waarmee jy byvoorbeeld die interne struktuur van 'n ondeursigtige voorwerp van metaal kan vertoon. Dit is onmoontlik om met die oog te bepaal of die brugstrukture stewig gesweis is, of die naat by die gaspypleiding lugdig is en of die relings styf aan mekaar pas.

Daarom word X-straal in die industrie gebruik vir foutopsporing - monitering van die betroubaarheid van die belangrikste werkseienskappe en parameters van 'n voorwerp of sy individuele elemente, wat nie vereis dat die voorwerp uit diens geneem word of dit uitmekaar gehaal word nie.

X-straalfluoressensiespektrometrie is gebaseer op die effek van fluoressensie - 'n ontledingsmetode wat gebruik word om die konsentrasies van elemente van berillium tot uraan in die reeks van 0,0001 tot 100% in stowwe van verskillende oorsprong te bepaal.

Wanneer 'n monster bestraal word met 'n kragtige vloed van bestraling vanaf 'n X-straalbuis, verskyn kenmerkende fluoresserende bestraling van atome, wat eweredig is aan hul konsentrasie in die monster. Tans maak feitlik elke elektronmikroskoop dit moontlik om, sonder enige probleme, die gedetailleerde elementêre samestelling van die bestudeerde mikro-voorwerpe te bepaal deur die metode van X-straal-fluoressensie-analise.

X-strale in kunsgeskiedenis

Die vermoë van X-strale om deur te skyn en 'n fluoressensie-effek te skep, word ook gebruik om skilderye te bestudeer. Wat onder die boonste laag verf versteek is, kan baie vertel oor die geskiedenis van die skepping van die doek. Dit is byvoorbeeld in die vaardige werk met verskeie lae verf dat 'n beeld uniek gevind kan word in 'n kunstenaar se werk. Dit is ook belangrik om die struktuur van die lae van die skildery in ag te neem wanneer die geskikste bergingstoestande vir die doek gekies word.

Vir dit alles is X-straalbestraling onontbeerlik, sodat jy onder die boonste lae van die beeld kan kyk sonder om dit te benadeel.

Belangrike ontwikkelings in hierdie rigting is nuwe metodes wat gespesialiseer is om met kunswerke te werk. Makroskopiese fluoressensie is 'n variant van X-straalfluoressensie-analise wat goed geskik is vir die visualisering van die verspreidingstruktuur van sleutelelemente, hoofsaaklik metale, teenwoordig in gebiede van ongeveer 0,5-1 vierkante meter of meer.

Aan die ander kant, X-straal laminografie, 'n variant van rekenaar X-straal tomografie, wat meer geskik is vir die bestudering van plat oppervlaktes, lyk belowend vir die verkryging van beelde van individuele lae van 'n prentjie. Hierdie metodes kan ook gebruik word om die chemiese samestelling van die verflaag te bestudeer. Dit laat toe dat die doek gedateer word, insluitend om 'n vervalsing te identifiseer.

X-strale laat jou toe om die struktuur van 'n stof uit te vind

X-straalkristallografie is 'n wetenskaplike rigting wat verband hou met die identifikasie van die struktuur van materie op atoom- en molekulêre vlakke. 'n Kenmerkende kenmerk van kristallyne liggame is 'n veelvuldige geordende herhaling in die ruimtelike struktuur van dieselfde elemente (selle), wat uit 'n sekere stel atome, molekules of ione bestaan.

Die hoofnavorsingsmetode bestaan uit die blootstelling van 'n kristallyne monster aan 'n smal straal X-strale met behulp van 'n X-straalkamera. Die gevolglike foto toon 'n prent van gebuigde X-strale wat deur die kristal gaan, vanwaar wetenskaplikes dan die ruimtelike struktuur, wat die kristalrooster genoem word, visueel kan vertoon. Verskeie maniere om hierdie metode te implementeer word X-straal-struktuuranalise genoem.

X-straal struktuuranalise van kristallyne stowwe bestaan uit twee fases:

1. Bepaling van die grootte van die eenheidsel van die kristal, die aantal deeltjies (atome, molekules) in die eenheidsel en die simmetrie van die rangskikking van deeltjies. Hierdie data word verkry deur die geometrie van die ligging van die diffraksiemaksima te analiseer.
2. Berekening van die elektrondigtheid binne die eenheidsel en bepaling van die atoomkoördinate, wat geïdentifiseer word met die posisie van die elektrondigtheidmaksima. Hierdie data word verkry deur die intensiteit van die diffraksiemaksima te analiseer.

Sommige molekulêre bioloë voorspel dat in die beeld van die grootste en mees komplekse molekules, X-straalkristallografie vervang kan word deur 'n nuwe tegniek genaamd kryogeniese elektronmikroskopie.

Een van die nuutste hulpmiddels in chemiese analise was Henderson se filmskandeerder, wat hy in sy baanbrekerswerk in kriogene elektronmikroskopie gebruik het. Hierdie metode is egter steeds redelik duur en dit is dus onwaarskynlik dat dit in die nabye toekoms X-straalkristallografie heeltemal sal vervang.

’n Relatief nuwe gebied van navorsing en tegniese toepassings wat verband hou met die gebruik van X-strale is X-straalmikroskopie. Dit is ontwerp om 'n vergrote beeld te verkry van die voorwerp wat bestudeer word in werklike ruimte in twee of drie dimensies deur gebruik te maak van fokusoptika.

Die diffraksiegrens van ruimtelike resolusie in X-straalmikroskopie as gevolg van die klein golflengte van die bestraling wat gebruik word, is ongeveer 1000 keer beter as die ooreenstemmende waarde vir 'n optiese mikroskoop. Boonop maak die deurdringende krag van X-straalstraling dit moontlik om die interne struktuur van monsters te bestudeer wat heeltemal ondeursigtig is vir sigbare lig.

En hoewel elektronmikroskopie die voordeel van 'n effens hoër ruimtelike resolusie het, is dit nie 'n nie-vernietigende metode van ondersoek nie, aangesien dit 'n vakuum en monsters met metaal- of gemetalliseerde oppervlaktes vereis, wat heeltemal vernietigend is, byvoorbeeld vir biologiese voorwerpe.